석탄 화력발전 연소 배가스에 포함된 이산화탄소를 염수의 전기분해를 통해 얻어진 가성소다와 반응시켜 중탄산나트륨, 염소, 수소 등을 생산하는 공정에 대하여 실험과 전산모사를 병행하였다. Bench 규모 공정을 디자인하여 가성소다에 의한 이산화탄소 전환 공정에 대하여 실험하였고 같은 공정을 공정 모델링을 통해 전산모사 하였다. 실험결과와 전산모사 결과의 비교를 통해 모델의 신뢰성을 확인하였고, 상용급 공정에 대한 모델링을 수행하였다. 상용급 공정에 대한 열 및 물질수지를 계산하였고 반응기내 온도분포와 $CO_2$흡수율을 도출하였다. 본 연구를 통해 온실가스 저감뿐만 아니라 $CO_2$ 전환을 통한 경제성까지 갖춘 본 공정에 대한 기술 신뢰성을 확보할 수 있을 것이다.
석탄 화력발전 연소 배가스에 포함된 이산화탄소를 염수의 전기분해를 통해 얻어진 가성소다와 반응시켜 중탄산나트륨, 염소, 수소 등을 생산하는 공정에 대하여 실험과 전산모사를 병행하였다. Bench 규모 공정을 디자인하여 가성소다에 의한 이산화탄소 전환 공정에 대하여 실험하였고 같은 공정을 공정 모델링을 통해 전산모사 하였다. 실험결과와 전산모사 결과의 비교를 통해 모델의 신뢰성을 확인하였고, 상용급 공정에 대한 모델링을 수행하였다. 상용급 공정에 대한 열 및 물질수지를 계산하였고 반응기내 온도분포와 $CO_2$ 흡수율을 도출하였다. 본 연구를 통해 온실가스 저감뿐만 아니라 $CO_2$ 전환을 통한 경제성까지 갖춘 본 공정에 대한 기술 신뢰성을 확보할 수 있을 것이다.
A process, which converts carbon dioxide contained in the flue gas of coal-fired power plants to sodium bicarbonate, was studied experimentally and numerically. In this process, the carbon dioxide reacts with sodium hydroxide which is produced through saline water electrolysis. A bench scale reactor...
A process, which converts carbon dioxide contained in the flue gas of coal-fired power plants to sodium bicarbonate, was studied experimentally and numerically. In this process, the carbon dioxide reacts with sodium hydroxide which is produced through saline water electrolysis. A bench scale reactor system was prepared for experiments of this process and numerical process modeling was performed for the bench scale reactor system. Comparing the process modeling results with the experimental data, responsibility of the process modeling was confirmed. Using this model, commercial scale process was simulated. Mass and energy balance of this process were calculated. Temperature profile in the reactor and carbon dioxide removal rate were obtained.
A process, which converts carbon dioxide contained in the flue gas of coal-fired power plants to sodium bicarbonate, was studied experimentally and numerically. In this process, the carbon dioxide reacts with sodium hydroxide which is produced through saline water electrolysis. A bench scale reactor system was prepared for experiments of this process and numerical process modeling was performed for the bench scale reactor system. Comparing the process modeling results with the experimental data, responsibility of the process modeling was confirmed. Using this model, commercial scale process was simulated. Mass and energy balance of this process were calculated. Temperature profile in the reactor and carbon dioxide removal rate were obtained.
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문제 정의
고효율 탄산화반응 시스템을 개발하기 위해 본 연구에서는 2kgCO2/day급 BSU (bench scale unit)을 제작하였다. Fig.
본 논문에서는 염수의 전기분해를 통해 생산된 가성소다를 이용해 발전소 배가스의 CO2를 중탄산나트륨로 전환하고 동시에 염소, 수소 등을 생산하는 공정에 대해 논의하고자 한다. 본 공정은 염수 전기분해 공정(Chlor-Alkali Process)과 탄산화공정(Carbonation Process)으로 구성되어있다.
가설 설정
3) 각 bulk상에서는 완전 혼합 상태를 이룬다.
5) 액상 및 기상의 radial 방향으로의 흐름 분포도 없다
마지막으로 외기의 영향은 다른 변수 대비 효과가 크지 않다고 가정하였으며, 따라서 탄산화 반응기는 adiabatic condition에서 계산되었다고 볼 수 있다.·
12 kg/day로 생산하기 위한 공정에 대해 수행되었다. 염수의 농도는주입 농도 26 wt% NaCl, 배출농도 24 wt% NaCl로 가정하였다. 각 공정별 투입 원료량과 생성된 가성소다 및 수소/염소가스의 양은 Table 2에 정리 되어 있다.
제안 방법
각 흡수탑은 내부를 확인 할수 있도록 투명 아크릴 재질로 하단부에 pH meter (Orion Star A211)를 배치하여서 실시간으로 반응물의 산도를 측정할 수 있도록 하였고, 각 흡수탑 후단에 CO2 분석기(KONICS KN-2000W)를 배치하여서 각 반응기에서 흡수되는 CO2의 양을 측정하였다. 각 반응기에서 액체를 이송하기 위한 펌프와 액체의 반응기내 순환을 위한 펌프를 장착하였으며 가스는 펌프를 따로 사용하지 않고 봄베의 압력을 이용해 반응기 후단까지 밀어주는 방법을 사용하였다. 일반적으로 석탄화력 배가스의 조성은 습분을 제외하고 N2 81%, CO2 14%, O2 4.
흡수탑의 내부는 structured packing (TPT Pacific)으로 구성하였다. 각 흡수탑은 내부를 확인 할수 있도록 투명 아크릴 재질로 하단부에 pH meter (Orion Star A211)를 배치하여서 실시간으로 반응물의 산도를 측정할 수 있도록 하였고, 각 흡수탑 후단에 CO2 분석기(KONICS KN-2000W)를 배치하여서 각 반응기에서 흡수되는 CO2의 양을 측정하였다. 각 반응기에서 액체를 이송하기 위한 펌프와 액체의 반응기내 순환을 위한 펌프를 장착하였으며 가스는 펌프를 따로 사용하지 않고 봄베의 압력을 이용해 반응기 후단까지 밀어주는 방법을 사용하였다.
중탄산나트륨은 탄산나트륨과의 용해도 차이를 이용해 침전물을 분리해 내는 방법으로 얻어진다. 그러나 전산모사에서는 이러한 과정을 고려하지 않고 생산되는 모든 중탄산나트륨과 탄산나트륨의 양을 이용해 순도를 측정하였다. 따라서 탈수 및 건조 공정을 거친다면 훨씬 높은 순도의 중탄산나트륨을 얻을 수 있을 것으로 보여진다.
3 kg의 물의 주입되어야 한다. 따라서 본 전기 분해 공정 모사에서는 15 wt%의 가성소다 수용액을 12.12 kg/day로 생산하기 위한 공정에 대해 수행되었다. 염수의 농도는주입 농도 26 wt% NaCl, 배출농도 24 wt% NaCl로 가정하였다.
탄산화공정에 대해 실험실 규모에서 구성한 반응시스템을 이용해 실험을 수행하였다. 또한 전체 공정에 대하여 상용급 플랜트의 공정모사를 수행하였다.
본 공정에 대해서는 gPROMS Processbuilder과 Advanced model library for Gas Liquid Contactors (AML:GLC)에 포함되어 있는 packed-bed reactor model을 활용하여 상세 모델링을 수행 하였다. AML:GLC는 주요 물리화학 현상(absorption of CO2, electrolyte interactions in the liquid phase and impact on solubility of CO2)들을 동시에 고려한 모델이며 이를 통해 위험성을 최소화 할 수 있는 반응기 설계가 가능하다.
본 연구를 통해 CO2 전환공정에 대하여 실험실 규모에서 실험을 수행하고 상용급 공정에 대한 전산모사를 수행하였다. 전산모사 결과 중탄산나트륨의 순도가 실험치보다 낮게 나온 이유는 중탄산나트륨과 탄산나트륨의 용해도 차이를 이용한 분리 공정을 고려하지 않았기 때문으로 분석된다.
본 연구에서 구성한 탄산화공정은 Fig. 3과 같이 총 3개의 반응기로 구성이 되어 있으며 반응성 향상을 위해 각 반응기에는 순환흐름을 구성하였다. 전기 분해 공정에서 만들어진 가성소다는 세번째 반응기의 상부로 공급 되며 배가스는 1번 반응기의 하단부로 공급되는 교차 흐름 방식으로 운전 된다.
본 연구에서는 gPROMS ProcessBuilder과 열역학적 물성 및 물질 전달 관련 성질들에대해서는 OLI® thermodynamic engine (OLI Systems, Inc., Morris Plains, NJ, USA)를 이용하여 계산하였다.
이는 일반적으로 CO2 포집설비에 요구되는 흡수율 90%를 충분히 만족시키는 수치이다. 생산된 중탄산나트륨은 XRD 정량분석(카이스트 중앙분석센터, 2-q scan)을 통해 순도를 측정하였고 순도 97.3%으로 측정되었다. 시판 시약 중탄산나트륨(Sigma-Aldrich)을 같은 방법으로 정량분석한 결과 순도가 97.
6와 같은 모델을 ProcessBuilder에서 구성하였다. 실제 실험 시스템과 동일하게 3단 반응기로 구성하였으며, 모사 조건 또한 실험 조건과 동일한 조건을 적용하였다.
전산 모사의 신뢰성을 검증하기 위해 실험과 같은 2 kgCO2/day급 탄산화반응기부터 전산모사를 수행하였다. 2 kg의 CO2를 처리하기 위해서는 양론적으로 약 1.
본 공정은 염수 전기분해 공정(Chlor-Alkali Process)과 탄산화공정(Carbonation Process)으로 구성되어있다. 탄산화공정에 대해 실험실 규모에서 구성한 반응시스템을 이용해 실험을 수행하였다. 또한 전체 공정에 대하여 상용급 플랜트의 공정모사를 수행하였다.
CO2 처리량은 100 ton/day이며 이를 처리하기 위해서는 15 wt%의 NaOH 용액이 분당 400 L 주입되어야 한다. 탄산화공정의 dimension은 반응 효율과 bench 규모 공정의 실험 및 모사 결과 등을 고려하여 설정하였다. 각 반응기의 높이를 14 m, 8 m, 6 m로 상정하였으며, 반응기 내경은 4 m로 설정하였다.
대상 데이터
탄산화공정의 dimension은 반응 효율과 bench 규모 공정의 실험 및 모사 결과 등을 고려하여 설정하였다. 각 반응기의 높이를 14 m, 8 m, 6 m로 상정하였으며, 반응기 내경은 4 m로 설정하였다. 반응기 내부에서 액상의 순환유량은 4,000 L/min으로 설정하였다.
를 중탄산나트륨로 전환하고 동시에 염소, 수소 등을 생산하는 공정에 대해 논의하고자 한다. 본 공정은 염수 전기분해 공정(Chlor-Alkali Process)과 탄산화공정(Carbonation Process)으로 구성되어있다. 탄산화공정에 대해 실험실 규모에서 구성한 반응시스템을 이용해 실험을 수행하였다.
, Morris Plains, NJ, USA)를 이용하여 계산하였다. 본 연구에서는 기상에서는 H2O, CO2, N2, O2, 고상에서는 NaHCO3, Na2CO3가 각각 고려되었으며, 액상에서는 이온성분이 포함되었다. 배가스에 존재할 수 있는 SOx등의 미량성분들은 본 연구에서는 고려되지 않았다.
이론/모형
2) 물질전달 속도는 Maxwell-Stefan diffusion 이론에 따른다.
상용급(5 MW급) 탄산화공정은 기본적으로 bench 규모 모델을 그대로 적용하였다. CO2 처리량은 100 ton/day이며 이를 처리하기 위해서는 15 wt%의 NaOH 용액이 분당 400 L 주입되어야 한다.
열역학적 물성 및 물질 전달 관련 성질들에 대해서는 OLI® thermodynamic engine (OLI Systems, Inc., Morris Plains, NJ, USA)를 이용하여 계산하였다.
성능/효과
1) 기상과 액상의 접촉면인 필름에서는 액상과 기상이 모두 평형 상태이다.
5로 나타났다. 1번 반응기의 경우 최종적으로 중탄산나트륨이 생성되는 반응기이기 때문에 가장 pH가 낮게 유지되었고, 3번 반응기의 경우 가성소다 용액이 직접적으로 주입되기 대문에 pH가 가장 높게 유지되었다. 최종적인 CO2 흡수율(g3)은 평균 98%정도로 나타났다.
4) 액상 및 기상에서의 조성 및 온도는 radial 방향으로의 분포는 없다.
본 공정에 대하여 경제성 평가가 이미 수행된 바 있다[18]. 그 결과를 간략히 요약하면 5 MW급 공정의 20년 상업 운전을 가정할 경우 내부수익률 67.2%, 순현재가치 346,922백만원으로 산출되었다. 상용급 규모의 플랜트 운전시 본 공정은 충분히 경제성이 있는 기술로 평가 가능하다.
두 반응 모두 기본적으로 발열반응이고 깁스 자유에너지가 모두 음의 값이기 때문에 상온에서 자발적으로 진행된다. 그러나 1번 반응에 비해 2번 반응의 깁스 자유에너지의 절대값이 훨씬 적고 따라서 반응 동력이 매우 떨어진다는 것을 확인 할 수 있다.
또한 소량의 불순물도 탄산나트륨으로 상용으로 사용하는데 전혀 문제가 되지 않는 성분이다. 본 연구를 통해 실험실 규모에서 개발한 공정에 대하여 전산모사 기법을 활용해 그 가능성을 입증하였다고 볼 수 있다.
1과 같이 나타낼 수 있다[13]. 본 연구에서 목표로 하는 중탄산이온(HCO3-)의 농도값을 최대로 하기 위해서는 반응기의 pH 값을 8~9로 유지하는 것이 가장 중요하다는 것을 확인할 수 있다.
따라서 충분한 체류시간을 보장해주어야 하고 그에 따라 1번 반응기의 높이가 다른 반응기보다 높게 디자인 되었다. 본 전산모사 모델링을 통해 확립된 모델이 2 kgCO2/day급 탄산화공정의 실험 결과와 잘 부합한다는 사실을 확인 할 수 있고 따라서 본 전산모사 모델의 신뢰성을 담보할 수 있다.
4에서 확인한바와같이 98% 이상으로나타났으나본전산모사결과상으로는 91% 정도로 나타났다. 생산된 중탄산나트륨의 순도는 전산모사 결과는 93.8%로 나타났다.
3%으로 측정되었다. 시판 시약 중탄산나트륨(Sigma-Aldrich)을 같은 방법으로 정량분석한 결과 순도가 97.8%로 측정되었음을 고려한다면 상당히 높은 순도의 중탄산나트륨이 생산된 것을 확인할 수 있다.
1번 반응기의 경우 최종적으로 중탄산나트륨이 생성되는 반응기이기 때문에 가장 pH가 낮게 유지되었고, 3번 반응기의 경우 가성소다 용액이 직접적으로 주입되기 대문에 pH가 가장 높게 유지되었다. 최종적인 CO2 흡수율(g3)은 평균 98%정도로 나타났다. 이는 일반적으로 CO2 포집설비에 요구되는 흡수율 90%를 충분히 만족시키는 수치이다.
후속연구
그러나 전산모사에서는 이러한 과정을 고려하지 않고 생산되는 모든 중탄산나트륨과 탄산나트륨의 양을 이용해 순도를 측정하였다. 따라서 탈수 및 건조 공정을 거친다면 훨씬 높은 순도의 중탄산나트륨을 얻을 수 있을 것으로 보여진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탄산광물화 기술의 장점은 무엇인가?
CO2를 활용 가능한 물질(탄산칼슘, 중탄산나트륨 등)으로 전환하는데도 탄산광물화 기술이 적용될 수 있다. 본 기술은 온실가스 저감효과뿐만 아니라 생산물 판매를 통한 수익 창출까지 가능한 기술로 평가 받고 있기 때문에 관련 연구가 활발히 진행 중이다. 가성소다(NaOH) 등의 알칼리 용액을 이용해 CO2를 전환하여 탄산나트륨등으로 전환하는 연구는 실험실규모에서 수행된 바 있다[6,7].
CCUS 기술 중 탄산광물화 전환 기술은 무엇인가?
최근에는 CO2를 화학적으로전환하여연료 등의유용한 화합물로 전환하는기술(CCUS, Carbon Capture, Utilization and Sequestration) 이 부각되고 있다[5]. CCUS 기술 중 탄산광물화 전환 기술은 CO2를 양이온과 반응시켜 고정화하는 기술로 지중 저장시 발생할 수 있는 유출 문제나 그에 따른 모니터링 문제 등으로부터 자유롭기 때문에 CO2를 안정적으로 저장할 수 있는 기술로 평가 받고 있다. CO2를 활용 가능한 물질(탄산칼슘, 중탄산나트륨 등)으로 전환하는데도 탄산광물화 기술이 적용될 수 있다.
CCS 기술의 장점과 제한점은 무엇인가?
따라서 석탄화력의 지속적 활용을 통한 안정적 전력공급을 위해서는이산화탄소를 포집하여 이송, 격리하는 기술(CCS, Carbon Capture and Storage)이 필수적이다[3,4]. CCS 기술은 대규모 배출원으로부터 이산화탄소를 포집 및 저장하는 기술이라는 측면에서 온실가스 저감효과가 매우 큰 기술로 평가 받지만 포집된 CO2의 저장소 확보가 미진한 국내 상황에서는 실증 플랜트의 적용에 제한이 있다.
Wee, J. H., Kim, J., Song, I., Song, B. and Choi, K., "Reduction of Carbon-dioxide Emission Applying Carbon Capture and Storage (CCS) Technology to Power Generation and Industry Sectors in Korea," J. KSEE., 30(9), 961-972(2008).
Lee, J. H., Kwak, N. S., Lee, I. Y., Jang, K. R., Lee, D.W., Jang, S. G. and Shim, J. G., "Performance and Economic Analysis of Commercial-scale Coal-fired Power Plant with Post-combustion $CO_2$ Capture," Korean J. Chem. Eng., 32(5), 800-807(2015).
Park, S. E., Chang, J. S. and Lee, K. W., "Carbon Dioxide Utilization for Global Sustainability : Proceedings of the 7th International Conference on Carbon Dioxide Utilization," Elsevier(2014).
Yoo, M., Han, S. J. and Wee, J. H., "Carbon Dioxide Capture Capacity of Sodium Hydroxide Aqueous Solution," J. Env. Man., 114, 512-519(2013).
Yoo, M., Han, S. J., Shin, J. and Wee, J. H., "A Study on Carbon Dioxide Capture Performance of KOH Aqueous Solution Via Chemical Absorption," J. KSEE., 34(1), 55-62(2012).
Ebbing, D. D., General Chemistry, Houghton Mifflin Company, Boston(1990).
Wolf-Gladrow, D. A., Zeebe, R. E., Klaas, C., Kortzinger, A., and Dickson, A. G., "Total Alkalinity: The Explicit Conservative Expression and Its Application to Biogeochemical Processes," Mar. Chem., 106(1), 287-300(2007).
Andersen, C. B., "Understanding Carbonate Equilibria by Measuring Alkalinity in Experimental and Natural Systems," J. Geosci. Edu., 50(4), 389-403(2002).
Lee, J. H., Lee, D. W., Jang, S. G., Kwak, N., S., Lee, I. Y., Jang, K. R., Choi, J. S. and Shim, J. G., "Economic Evaluations for the Carbon Dioxide-involved Production of High-value Chemicals," Korean Chem. Eng. Res., 52(3), 347-354(2014).
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